JP2015184621A - 光装置とその製造方法 - Google Patents

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博 照井
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Abstract

【課題】光素子と光ファイバ間の光損失を低減する光装置を提供する。【解決手段】光装置20の製造方法は、光素子23と光ファイバ24の間の調芯を行って光ファイバ24をサブマウント22上に固定する際の一回目の光ファイバの24調芯と、サブマウント22を主マウント21に固定する際の二回目の光ファイバ24の調芯の二回に分けて行う。【選択図】図2

Description

本発明は、光装置とその製造方法に関する。
従来の光ファイバ付き半導体レーザ光源10は、図1のように、半導体レーザ12と光結合させた光ファイバ13を、半導体レーザ12と同一平面上に硬化収縮の小さい接着剤14で固定するものであった(特許文献1)。半導体レーザ12は金錫合金等の半田材でヒートシンク11等に固定する。光ファイバ13は半導体レーザ12との光結合が最大となるように、位置を調整して、紫外線硬化樹脂等の硬化収縮の小さい接着剤14で、半導体レーザ12と同一平面上に固定する。
光ファイバ13の調芯には、光ファイバ13が前後左右上下に移動させるので、最適位置に調芯した光ファイバ13とヒートシンク11の間には隙間が生じることになる。このように、調芯で生じる隙間を硬化収縮の小さい接着剤14で埋めて、半導体レーザ12と同一平面上に固定する方法は、半田やレーザ溶接に比べ、精度良く光ファイバ13をヒートシンク11等のマウントに固定できる。
しかし、半導体レーザ12の厚みは、例えば80μmであり、光ファイバ13の外径は、例えば125μmである。半導体レーザ12と光ファイバ13を、同じヒートシンク11の面に固定する場合、半導体レーザ12の出力光の出射位置と、光ファイバ13の光を入力する位置が一致しない場合もありうる。
例えば、半導体レーザ12の出力光の出射位置がヒートシンク11の固定面から80μmであり、光ファイバ13の光を入力する位置が光ファイバ13の中央だとする。その場合、光ファイバ13をヒートシンク11の上に直接固定すると、半導体レーザ12の出力光の出射位置と光ファイバ13の光を入力する位置は、17.5μmだけ異なる。そのため、光ファイバ13をヒートシンク11から17.5μm浮かせた位置で、光ファイバ13と半導体レーザ12との光結合が最大となる。
光ファイバ13と半導体レーザ12との光結合が最大となる位置で、光ファイバ13を接着剤14で固定すると、接着剤14の硬化収縮に伴う光ファイバ13の位置ずれが起こる。硬化収縮率が小さい接着剤14であっても数%程度の収縮はするため、接着剤14の硬化収縮後には、光ファイバ13の位置は数μm程度ずれることになる。
光ファイバ13は、例えば先球ファイバが用いられる。先球ファイバは発光素子との結合効率が高いため、先球ファイバを用いると装置の小型化が可能である。そのため、半導体レーザ光源に先球ファイバが用いられている。
先球半径が10μmの単一モード先球ファイバでは、結合効率を−3.5dB以上にするためには、例えば、位置ずれは0.5μm以下としなくてはならない。また、先球半径が20μmの単一モード先球ファイバの場合には、結合効率を−6dB以上とするためには、許容される位置ずれは、例えば1.1μm以下である。
そのため、接着剤14の硬化収縮による光ファイバ13の位置ずれは無視できず、位置ずれによる光結合損の増大が大きな課題であった。そこで、予め位置ずれ分だけ光ファイバ13を逆方向にずらした後、接着材14を硬化させるという方法も考えられる。しかし、光ファイバ13の位置ずれを高い精度で予測するのは困難であり、デバイスごとに光結合損にバラツキが生じ、歩留まりが低下するという問題もあった。
特開1992−120783号公報
前記課題を解決するために、本発明は、光装置での光素子と光ファイバ間の光損失を低減することを目的とする。
上記目的を達成するために、本願発明に係る光装置の製造方法は、主マウントとサブマウントを備え、光ファイバをサブマウントに固定する際の光ファイバの位置ずれを、サブマウントを主マウントに固定する際に補正する。また、本願発明に係る光装置は、本願発明に係る光装置の製造方法で製造した光装置である。
具体的には、本発明に係る光装置は、上段と下段を有し、前記上段に光素子を配置した主マウントと、前記主マウントの前記下段に配置されるサブマウントと、前記主マウントの下段に前記サブマウントを固定するサブマウント固定接着剤と、前記サブマウントの上面に配置され、前記光学素子と光学的に結合する光ファイバと、前記サブマウントの上面に前記光ファイバを固定する光ファイバ固定接着剤と、を備える。
本発明に係る光装置は、光ファイバをサブマウントに光ファイバ固定接着剤を用いて固定し、サブマウントを主マウントにサブマウント固定接着剤を用いて固定する。そのため、光ファイバと光素子の間の光損失を低減することができる。
本発明に係る光装置は、前記主マウントと前記サブマウントが二つの面で接する部分の前記主マウント側又は前記サブマウント側に、窪み又は切り欠きを有してもよい。
本発明に係る光装置は、前記主マウントの上段と下段を接続する接続面又は前記接続面に対向する前記サブマウントの面に、少なくとも一つの突起を有してもよい。
本発明に係る光装置は、前記光ファイバは先球ファイバであってもよい。
具体的には、本願発明に係る光装置の製造方法は、光素子を主マウントに固定する光素子固定手順と、前記光素子と光ファイバを調芯して光結合させ、前記光素子と前記光ファイバの光結合が最大となる位置で光ファイバ固定接着剤を用いて前記光ファイバをサブマウントに固定する光ファイバ固定手順と、前記サブマウントの位置を再調整し、前記光素子と前記光ファイバの光結合が最大となる位置でサブマウント固定接着剤を用いて前記サブマウントを前記主マウントに固定するサブマウント固定手順とを順に有する。
本願発明に係る光装置の製造方法は、光素子固定手順を有するので、光素子を主マウントに固定することができる。また、本願発明に係る光装置の製造方法は、光ファイバ固定手順を有するので、光素子と光ファイバを調芯し、光結合が最大となる位置で固定することができる。また、本願発明に係る光装置の製造方法は、サブマウント固定手順を有するので、光ファイバ固定手順で用いた光ファイバ固定接着剤の硬化収縮を補正して、光素子と光ファイバを光結合させることができる。
本願発明に係る光装置の製造方法は、前記主マウントと前記サブマウントが二つの面で接する部分の前記主マウント側、又は前記サブマウント側に、窪み又は切り欠きを有してもよい。
本願発明に係る光装置の製造方法は、前記主マウントの上段と下段を接続する接続面又は前記接続面に対向する前記サブマウントの面に、少なくとも一つの突起を有し、前記サブマウント固定手順では、前記サブマウントが有する突起を前記接続面に突き当て、又は前記主マウントが有する突起を前記接続面に対向する前記サブマウントの面に突き当ててもよい。
本願発明に係る光装置の製造方法は、前記光ファイバは先球ファイバであってもよい。
なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。
本発明によれば、光装置での光素子と光ファイバ間の光損失を低減することができる光装置及びその製造方法を提供することができる。
本発明に関連する光ファイバ付き半導体レーザ光源の一例を示す。 本発明の第一の実施形態に係る光装置20の製造工程を示す模式図の一例であり、(a)は光ファイバ固定手順における光ファイバ固定接着剤25の硬化前の光装置20であり、(b)はサブマウント固定手順における光ファイバ24の調芯を示し、(c)はサブマウント固定手順終了後の光装置20を示す。 本発明の第二の実施形態に係る光装置30の模式図の一例を示す。 本発明の第三の実施形態に係る光装置40の製造工程を示す模式図の一例であり、(a)は光ファイバ固定手順における光ファイバ固定接着剤25の硬化前の光装置40であり、(b)はサブマウント固定手順における光ファイバ24の調芯を示し、(c)はサブマウント固定手順終了後の光装置40を示す。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
(第一の実施形態)
図2(c)に、本発明の第1の実施形態に係る光装置20の模式図を示す。光装置20は、主マウント21と、サブマウント22と、光素子23と、光ファイバ24と、光ファイバ固定接着剤25と、サブマウント固定接着剤26とを備える。23aは光素子23の光軸、24aは光ファイバ24の光軸である。
主マウント21は、上段と下段を有する。光素子23は、主マウント21の上段に配置する。サブマウント22は、主マウント21の下段に配置する。光ファイバ24は、サブマウント22の上面に配置する。光ファイバ固定接着剤25は、光ファイバ24をサブマウント22に固定する。サブマウント固定接着剤26は、サブマウント22を主マウント21に固定する。
光素子23は、例えば半導体レーザやフォトダイオードである。光素子23は、アレイ型のレーザダイオードやフォトダイオードであってもよい。光素子23と光ファイバ24は光結合する。光ファイバ24は、例えば先球ファイバである。光ファイバ24は光導波回路であってもよい。光ファイバ固定接着剤25とサブマウント固定接着剤26の種類は任意である。光ファイバ固定接着剤25及びサブマウント固定接着剤26は、例えば、紫外線硬化型樹脂でも良いし、熱硬化型樹脂でも良い。
主マウント21は、例えば窒化アルミニウムで作製する。サブマウント22は、主マウント21と熱膨張係数が合致していることが望ましい。そのため、サブマウント22は、例えば、主マウント21と同じ窒化アルミニウムで作製する。
光素子23に、アレイ型のレーザダイオードやフォトダイオードを用いる場合、光ファイバ24をサブマウント22の上面に等間隔で並べて配置することによって、アレイ型の光素子23と光ファイバ24の光結合を容易に実現することができる。また、光ファイバ24の代わりに光導波回路の複数の入出力端を配置することで、アレイ型の光素子23と光導波回路の光結合を容易に実現することができる。本実施形態に係る光装置20は、アレイ型の光素子23と、光ファイバ24又は光導波路の複数の入出力端の光結合を容易に実現できるので、光素子23や光ファイバ24を含む光回路の集積化に用いることができる。
本発明の第一の実施形態に係る光装置20の製造方法について説明する。本発明の第一の実施形態に係る光装置20の製造方法は光素子固定手順と、光ファイバ固定手順と、サブマウント固定手順とを順に有する。光素子固定手順は、光素子23を主マウント21の上段に固定する手順である。光ファイバ固定手順は、光ファイバ24をサブマウント22に固定する手順である。サブマウント固定手順は、サブマウント22を主マウント21の下段に固定する手順である。
先ず、光素子固定手順について説明する。図2(a)のように、光素子23を主マウント21の上段に固定する。光素子23を主マウント21に固定する際には、例えばハンダを用いる。
次に、光ファイバ固定手順について説明する。先ず、サブマウント22を主マウント21の下段に配置する。サブマウント22は、主マウント21に少なくとも1面を接触させる。例えば、主マウント21の下段の上面とサブマウントの下面を接触させる。次に、クランプ27を用いて、サブマウント22を主マウント21の下段に固定する。次に、サブマウント22に光ファイバ固定接着剤25を塗布する。次に、光ファイバ固定接着剤25の上に光ファイバ24を配置する。光ファイバ24は、例えば先球ファイバである。
次に、光ファイバ固定接着剤25の上で光ファイバ24を調芯する。光ファイバ24の調芯では、光素子23と光ファイバ24の光結合が最大となるように調芯する。例えば、光素子23が半導体レーザ(LD)の場合は、LDを発光させ、光ファイバ24に結合する光強度が最大となるように光ファイバ24を調芯する。この状態では、光素子23と光ファイバ24両者の光軸23aと24aは一致していることになる。ここで、調芯が終了した時点での、光ファイバ24とサブマウント22の上面の隙間の距離をLとする。図2(a)に、調芯が終了した際の光装置20を示す。図2(a)では、光ファイバ固定接着剤25は硬化していない。
次に、光ファイバ固定接着剤25を硬化させ、光ファイバ24をサブマウント22に固定する。光ファイバ固定接着剤25の硬化により、光ファイバ固定手順が終了する。
光ファイバ24のサブマウント22への固定の際、光ファイバ固定接着剤25は硬化収縮する。光ファイバ固定接着剤25の硬化収縮により、光ファイバ24は数%程度、サブマウント22の上面に近づく方向に位置が変動する。光ファイバ24は後述するサブマウント固定手順で再調芯を行う。そのため、光ファイバ固定接着剤25は、均一に硬化する接着剤が望ましい。光ファイバ固定接着剤25は、硬化収縮が大きくてもよい。
光ファイバ24をサブマウント22の上に固定する際には、サブマウント22の上面と平行に光ファイバ24を固定する。光ファイバ24が、サブマウント22の上面と平行のまま、サブマウントの上面に近づく又は遠ざかる位置ずれは、後述するサブマウント固定手順での光ファイバ24の調芯で修正できる。しかし、光ファイバ24の位置ずれによりサブマウント22と光ファイバ24が平行でなくなった場合、後述するサブマウント固定手順での調芯操作による位置ずれの修正が難しくなる。そのため、光素子23と光ファイバ24の間の結合損が大きくなる。ここで、サブマウント22と光ファイバ24が平行でない場合とは、例えば、光素子23に近いサブマウント22の表面と光ファイバ24の距離と、光素子23から遠いサブマウント22の表面と光ファイバ24の距離が異なる場合である。
また、光素子23と光ファイバ24の調芯を行う際には、主マウント21の下段の上面とサブマウントの下面を接触させるとともに、主マウントの上段と下段を接続する接続面とサブマウント22の接続面と対向する面を接触させてもよい。この調芯方法を用いると、光軸24a方向に対して光ファイバ24が最適な位置でサブマウント22に固定できる。このため、サブマウント22を主マウント21に固定する際には、光軸24a方向の調芯は不要となり、調芯作業が容易となる。
次に、サブマウント固定手順について説明する。クランプ27の固定を解除して、主マウント21に固定されていたサブマウント22が動かせるようにする。次に、図2(b)のように、光ファイバ固定接着剤25の硬化収縮によって下方に移動している光ファイバ24を、サブマウント22を移動させることによって再調芯し、光ファイバ24の光軸24aを光素子23の光軸23aと一致させて、ずれた結合を回復させる。
光ファイバ固定接着剤25の硬化収縮による光ファイバ24の位置ずれは、概ね数%程度である。そのため、光ファイバ24とサブマウント22との隙間の距離Lが17.5μmの場合では、光ファイバ固定接着剤25の硬化収縮により、サブμm単位の位置ずれが生じる。光ファイバ固定接着剤25の硬化収縮率をαとすると、隙間の距離LはL(1−α)へと収縮する。収縮した分の距離Lと硬化収縮率αの積αLが光ファイバ固定接着剤25の硬化収縮による光ファイバ24の再調芯での補正距離となる。
次に、光素子23と光ファイバ24の再調芯後の位置を保持した状態で、サブマウント22と主マウント21の間にサブマウント固定接着剤26を流し込んで硬化させる。サブマウント固定接着剤26の硬化により、サブマウント22は主マウント21に固定される。
光ファイバ固定接着剤25の硬化収縮による光ファイバ24の位置ずれを補正すれば、光ファイバ24と光素子23の光結合が最大となる。そのため、光ファイバ固定接着剤25の硬化収縮による位置ずれ分、すなわちαLだけ移動させた位置で、サブマウント固定接着剤26を用いて主マウント21とサブマウント22とを固定する。サブマウント固定接着剤26の種類は任意である。サブマウント固定接着剤26は、光ファイバ固定接着剤25と同じ種類であってもよい。ただし、サブマウント固定接着剤26は、硬化収縮の小さく粘性の低い接着剤が望ましい。粘性が小さければ、サブマウント22と主マウント21との隙間にサブマウント固定接着剤26が充填されやすいからである。
サブマウント固定接着剤26はサブマウント22と主マウント21の間に流し込むのではなく、サブマウント22の下面又は主マウント21の下段の上面に塗布してもよい。サブマウント22を主マウント21にサブマウント固定接着剤26で固定することにより、サブマウント固定手順が終了する。図2(c)に、サブマウント固定手順終了後の光装置20を示す。
サブマウント固定接着剤26の硬化収縮後の主マウント21とサブマウント22の間の距離は、接着剤26の硬化収縮率をβとしてαL(1−β)となる。Lとαβの積はサブマウント固定接着剤26の硬化収縮による光ファイバ24の位置ずれ量である。サブマウント固定手順でのサブマウント固定接着剤26の硬化収縮も、光ファイバ固定接着剤25の硬化収縮と同じように概ね数%である。このため、サブマウント固定接着剤26でサブマウント22を固定した後の位置ずれαβLはサブμmのさらに数%程度となり、無視できる値となる。
このように、主マウント21の一部を分離してサブマウント22とし、光素子23と、光ファイバ24の調芯を2回に分けることにより、接着剤の硬化収縮による光ファイバ24の位置ずれは、無視できる値となる。
(第二の実施形態)
図3に、本発明の第2の実施形態に係る光装置30の模式図を示す。第2の実施形態に係る光装置30は、主マウント21と、サブマウント22と、光素子23と、光ファイバ24と、光ファイバ固定接着剤25と、サブマウント固定接着剤26とを備える。
本発明の第二の実施形態に係る光装置30は、主マウント21とサブマウント22が二つの面で接する部分の主マウント21側又はサブマウント22側に、窪み又は切り欠き22aを備える。窪み又は切り欠き22aの形状は任意である。窪み又は切り欠き22aの形状は矩形が望ましいが円弧で切除した形状であっても良い。また、窪み又は切り欠き22aは穴であってもよい。
主マウント21及びサブマウント22は、同じ材質で作製することが望ましい。主マウント21及びサブマウント22は、例えば、窒化アルミニウムで作製する。
本発明の第二の実施形態に係る光装置30の製造方法は、光素子固定手順と、光ファイバ固定手順と、サブマウント固定手順とを順に有する。本発明の第二の実施形態に係る光装置30の製造方法は、基本的には本発明の第一の実施形態に係る光装置20の製造方法と同じである。
しかし、第二の実施形態では、光装置30は窪み又は切り欠き22aを有するので、サブマウント固定手順において、サブマウント22と主マウント21との間のサブマウント固定接着剤26の不均一な分布を防止できる。窪み又は切り欠き22aがないと接着剤溜りができる場合や、接着剤の分布が不均一となる場合がある。その場合、サブマウント22の底面が主マウント21の下段の上面と平行でない状態で固定されるため、光ファイバ24が傾き、結合損が増大する場合がある。
主マウント21の上段と下段を接続する接続面又は接続面に対向するサブマウント22の面にサブマウント固定接着剤26が回り込むと、回り込んだサブマウント固定接着剤26の厚みだけ光軸24a方向にずれが生じる。光軸24a方向のずれは、光素子23と光ファイバ24の結合損の原因となる。しかし、窪み又は切り欠き22aがあれば余分なサブマウント固定接着剤26が回り込むことを防止できるので、結合損が増大することはない。
(第三の実施形態)
図4(c)に、本発明の第3の実施形態に係る光装置40の模式図を示す。第3の実施形態に係る光装置40は、主マウント21と、サブマウント22と、光素子23と、光ファイバ24と、光ファイバ固定接着剤25と、サブマウント固定接着剤26とを備える。
本発明の第三の実施形態に係る光装置40は、主マウント21の上段と下段を接続する接続面又は接続面に対向するサブマウント22の面に突起22bを備える。突起22bの数は複数であってもよい。
主マウント21及びサブマウント22の材料の熱膨張係数の相違は±20%以内であることが望ましく、主マウント21及びサブマウント22の材料の熱膨張係数が略等しいことがさらに望ましい。また、主マウント21及びサブマウント22の材料の硬度のうち、突起22bを有する側の硬度は、突起22bを有さない側の硬度と同じか高いことが望ましい。サブマウント22が突起22bを有する場合、サブマウント22は、例えば窒化アルミニウム、炭化ケイ素、ムライトのいずれかで作製し、主マウント21は、例えば窒化アルミニウムで作製する。
本発明の第三の実施形態に係る光装置40の製造方法は、光素子固定手順と、光ファイバ固定手順と、サブマウント固定手順とを順に有する。光素子固定手順と、光ファイバ固定手順は、第一の実施形態及び第二の実施形態と同じである。
本発明の第三の実施形態に係る光装置40の製造方法では、サブマウント固定手順において、図4(c)のように、サブマウント22の突起22bを主マウント21に突き当てて、突き当てた状態でサブマウント22を固定する。このため、突起22bは欠け難く、鋭利に尖らせてあることが望ましい。
突起22bを主マウント21に突き当てた点が支点となり、サブマウント固定接着剤26を充填又は塗布する前の調芯を容易に安定して行うことができる。さらに、サブマウント22の突起22bの突き当てが、サブマウント22の位置変動を抑止するため、サブマウント固定接着剤26の硬化収縮による影響も低減できる。ここで、サブマウント22の硬度が主マウント21の硬度よりも高ければ、サブマウントの突起22bを主マウント21に突き当てた際に、サブマウント22を主マウント21に減り込ませることができる。サブマウント22の主マウント21への減り込みによって、サブマウント22の位置変動は、サブマウント22を主マウント21に突き当てただけの場合よりも抑止される。
サブマウント22の突起部22bを主マウント21に突き当てるため、主マウント21の接続面の変形に応じて、光素子23と光ファイバ24間の光軸方向の距離は短くなる。しかし、光ファイバ24が光軸24a上を移動して光素子23と光ファイバ24間の距離が短くなったとしても、光損失は殆どない。光損失は、主として光軸24aに垂直な面での光ファイバ24の移動により生じる。
本発明の光装置とその製造方法は、光通信の分野に適用することができる。
10:光ファイバ付き半導体レーザ光源
11:ヒートシンク
12:半導体レーザ
13:光ファイバ
14:接着剤
20:光装置
21:主マウント
22:サブマウント
22a:窪み又は切り欠き
22b:突起
23:光素子
23a:光素子の光軸
24:光ファイバ
24a:光ファイバの光軸
25:光ファイバ固定接着剤
26:サブマウント固定接着剤
27:クランプ
30:光装置
40:光装置

Claims (8)

  1. 上段と下段を有し、前記上段に光素子を配置した主マウントと、
    前記主マウントの前記下段に配置されるサブマウントと、
    前記主マウントの下段に前記サブマウントを固定するサブマウント固定接着剤と、
    前記サブマウントの上面に配置され、前記光学素子と光学的に結合する光ファイバと、
    前記サブマウントの上面に前記光ファイバを固定する光ファイバ固定接着剤と、
    を備える、
    光装置。
  2. 前記主マウントと前記サブマウントが二つの面で接する部分の前記主マウント側又は前記サブマウント側に、窪み又は切り欠きを有する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の光装置。
  3. 前記主マウントの上段と下段を接続する接続面又は前記接続面に対向する前記サブマウントの面に、少なくとも一つの突起を有する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の光装置。
  4. 前記光ファイバは先球ファイバである、
    ことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の光装置。
  5. 光素子を主マウントに固定する光素子固定手順と、
    前記光素子と光ファイバを調芯して光結合させ、前記光素子と前記光ファイバの光結合が最大となる位置で光ファイバ固定接着剤を用いて前記光ファイバをサブマウントに固定する光ファイバ固定手順と、
    前記サブマウントの位置を再調整し、前記光素子と前記光ファイバの光結合が最大となる位置でサブマウント固定接着剤を用いて前記サブマウントを前記主マウントに固定するサブマウント固定手順と、
    を順に有する、
    光装置の製造方法。
  6. 前記主マウントと前記サブマウントが二つの面で接する部分の前記主マウント側、又は前記サブマウント側に、窪み又は切り欠きを有する、
    ことを特徴とする請求項5に記載の光装置の製造方法。
  7. 前記主マウントの上段と下段を接続する接続面又は前記接続面に対向する前記サブマウントの面に、少なくとも一つの突起を有し、
    前記サブマウント固定手順では、前記サブマウントが有する突起を前記接続面に突き当て、
    又は前記主マウントが有する突起を前記接続面に対向する前記サブマウントの面に突き当てる、
    ことを特徴とする請求項5に記載の光装置の製造方法。
  8. 前記光ファイバは先球ファイバである、
    ことを特徴とする請求項5から7のいずれかに記載の光装置の製造方法。
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